太阳能电池特性测试实验报告7469

太阳电池特性测试实验太阳能是人类一种最重要可再生能源，地球上几乎所有能源如:生物质能、风能、水能等都来自太阳能。利用太阳能发电方式有两种：一种是光—热—电转换方式，另一种是光—电直接转换方式。其中，光—电直接转换方式是利用半导体器件的光伏效应进行光电转换的，称为太阳能光伏技术，而光—电转换的基本装置就是太阳电池。太阳电池根据所用材料的不同可分为：硅太阳电池、多元化合物薄膜太阳电池、聚合物多层修饰电极型太阳电池、纳米晶太阳电池、有机太阳电池。其中，硅太阳电池是目前发展最成熟的，在应用中居主导地位。硅太阳电池又分为单晶硅太阳电池、多晶硅薄膜太阳电池和非晶硅薄膜太阳电池三种。单晶硅太阳电池转换效率最高，技术也最为成熟，在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但单晶硅成本价格高。多晶硅薄膜太阳电池与单晶硅比较，成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜电池。非晶硅薄膜太阳电池成本低，重量轻，转换效率较高，便于大规模生产，有极大的潜力，但稳定性不高，直接影响了实际应用。太阳电池的应用很广，已从军事、航天领域进入了工业、商业、农业、通信、家电以及公用设施等部门，尤其是在分散的边远地区、高山、沙漠、海岛和农村等得到广泛使用。目前，中国已成为全球主要的太阳电池生产国，主要分布在长三角、环渤海、珠三角、中西部地区，已经形成了各具特色的太阳能产业集群。一、实验目的1．熟悉太阳电池的工作原理；2．太阳电池光电特性测量。二、实验原理（1）太阳电池板结构以硅太阳电池为例：结构示意图如图1。硅太阳电池是以硅半导体材料制成的大面积PN结经串联、并联构成，在N型材料层面上制作金属栅线为面接触电极，背面也制作金属膜作为接触电极，这样就形成了太阳电池板。为了减小光的反射损失，一般在表面覆盖一层减反射膜。（2）光伏效应当光照射到半导体PN结上时，半导体PN结吸收光能后，两端产生电动势，这种现象称为光生伏特效应。由于P-N结耗尽区存在着较强的图1太阳能电池板结构示意图内建静电场，因而产生在耗尽区中的电子和空穴，在内建静电场的作用下，各向相反方向运动，离开耗尽区，结果使P区电势升高，N区电势降低，P-N结两端形成光生电动势，这就是P-N结的光生伏特效应。（3）太阳电池的特性参数太阳电池工作原理基于光伏效应。当光照射到太阳电池板时，太阳电池能够吸收光的能量，并将所吸收的光子的能量转化为电能。在没有光照时,可将太阳电池视为一个二极管,其正向偏压U与通过的电流的关系为IqVII(enKT1)0(1)I0是二极管的反向饱和电流，n称为理想系数，是表示PN结特性的参数，通常为1。q是波尔兹曼常数，为电子的电荷量，为热力学温度。（可令qKT）nKT当太阳电池短路时，我们可以得到短路电流为ISC，当太阳电池开路时，我们可以得到开路电压为UOC。当太阳电池接上负载R时，所得到的负载U-I特性曲线如（图二）所示，负载R可从零至无穷大，当负为载Rm时，太阳电池的输出功率最大，它对应的最大功率为Pm：Pm=Im×Um(2)上式中Im和Um分别为最佳工作电流和最佳工作电压，将Voc与Isc的乘积与最大输出功率Pm之比定义为填充因子FF：PmUIUmImUIFF(3)OCSCOCSCFF为太阳电池的重要特性参数，FF越大则输出功率越高。FF取决于入射光强、材料禁带宽度、理想系数、串联电阻和并联电阻等。太阳电池的转换效率η定义为太阳电池的最大输出功率与照射到太阳电池的总辐射能Pin之比，即Pm100%(4)Pin图2太阳电池的伏—安特性曲线三、实验仪器及用具THQTN-1型太阳电池特性测试实验仪。四、实验内容与步骤（1）测量太阳电池无光照时的伏安特性（直流偏压从0~2V）连接测量电路如图3所示：图3利用测得的正向偏压时I—U关系数据，画出I—U曲线。（2）在不加偏压时，用白炽灯光照射，测量太阳电池特性(4片串联负载特性更明显)。连接测量电路如图3所示：注意：此时光源到太阳电池距离不能太近，可选择为35cm之后。图4（a）测量短路电流IUSC、开路电压OC和入射光强J。（b）测量电池在不同负载电阻下，对U变化关系，画出IU曲线图。I（c）求太阳电池的最大输出功率，最佳工作电压和最佳工作电流。（d）计算填充因子：PmUIFFOCSC（e）计算转换效率：Pm100%Pin（3）电池的串联和并联电池串联输出电流不变，电压相加。电池并联输出电压不变，电流相加。数据处理光功率Pin为单位面积的入射光强J×太阳电池效有面积；本实验仪所用太阳电池单片效有面积为2060mm2；表格自拟。五、数据记录与分析一、测量太阳电池无光照时伏安特性太阳电池伏安特性数据如下电池序号1234四块串联电池序号1234四块串联电压U/V电流I/mA1.951.231.011.5152.62电压U/V0电流I/mA-0.01-0.01-0.002-0.00200.2190.10.030.010.0470.060.0081.851.130.91.42.370.2070.20.080.040.0950.1230.0191.751.040.81.272.130.1940.30.120.070.1420.190.031.650.950.721.1491.90.1830.40.170.10.1930.2630.0411.550.870.641.0441.7070.1710.50.220.130.2470.340.0521.450.790.570.9351.5080.1590.60.270.160.3010.4270.0631.350.720.510.8421.3440.1470.70.320.20.3570.5140.0741.250.650.450.7521.180.1350.80.380.240.4160.6160.0851.150.580.390.6681.0370.1250.90.430.280.4820.7260.0961.050.520.350.5920.9060.11310.490.320.550.8350.1070.950.470.30.5210.7950.1021.10.550.360.6230.9540.1180.850.410.260.4550.6830.0911.20.610.420.7041.0880.130.750.350.220.3910.5770.0791.30.680.470.7871.2390.1420.650.30.180.330.4830.0691.40.750.530.8811.4120.1530.550.250.150.2750.3890.0581.50.820.60.9751.5970.1640.450.20.120.2220.3050.0461.60.90.671.0811.80.1770.350.150.080.1690.2280.0351.70.990.751.220.1880.250.10.050.1210.1620.0251.81.080.851.3292.240.2010.150.050.020.0710.0960.0141.91.170.951.4662.490.2130.05000.0250.0310.00321.271.061.6112.750.226由上述数据绘出如下伏安特性曲线：I/mA2.92.41#电池2#电池3#电池4#电池四块串联1.91.40.90.4-0.1U/V2.500.511.52可见太阳电池的伏安特性曲线曲线并不是线性的。猜测太阳电池的等效内阻应该是随着电流——而非电压——的升高而显著增大。二、在白炽灯照射下测量太阳电池特性选取4号电池。测得短路电流为2.20mA，开路电压为9.18V。当时光照强度为1.02mW/cm2。实验数据如下：U/VI/AU/VI/A9.187.604.741.51.551.60.84.534.247.480.857.330.94.041.651.77.180.953.586.9313.21.756.821.053.062.81.856.351.152.591.22.131.956.041.251.31.262.055.621.350.861.40.442.155.131.450.02由此绘出特性曲线如下：1.86.591.11.96.121.8525.842.15.382.2白炽灯下太阳电池伏安特性曲线I/mA2.521.510.50U/V1002468由图线可以看出实验结果并不理想，电池的伏安特性曲线过于接近线性。由上述数据推出电池的功率随电压变化特性数据并绘出曲线如下：白炽灯下太阳电池功率特性曲线P/mW876543210y=-0.0001x6+0.0026x5-0.022x4+0.0818x3-0.2853x2+2.3495x-0.0211R²=0.9993U/V0246810可知其在U=5.84V、I=1.3mA时有最大功率7.592mW。同时可以算得该太阳电池的填充因子为0.376；而单片电池面积为2060mm2，可以算得每片电池获得的总光能为21.012mW，算出的电池转换效率为37.92%，明